Специальные волоконные световоды учебное пособие

Перестройку резонансной длины волны ВБР в относительно широких пределах можно осуществить в интерферометре Тальбота соответствующим поворотом дополнительных зеркал (рис. 4.29, б). Отметим также, что для формирования решеток с произвольным распределением индуцированного ПП весьма перспективными являются методы сканирования УФ-пучка относительно фазовой маски.

4.11.2. Методы изготовления длиннопериодных решеток

Поскольку характерные значения периода длиннопериодных волоконных решеток (ДПВР) на 2–3 порядка больше в сравнении с брэгговскими решетками, методы изготовления ДПВР существенно отличаются от методов записи ВБР. При этом значительно снижаются требования, накладываемые на механическую стабильность записывающей системы и когерентность УФ-излучения. Среди наиболее распространенных способов записи фотоиндуцированных ДПВР следует отметить два метода: метод с использованием амплитудной маски и пошаговый метод.

При записи ДПВР через амплитудную маску (рис. 4.30, а), как правило, вся структура решетки формируется одновременно, поэтому запись решетки в целом занимает столько же времени, сколько и запись отдельного ее штриха. При использовании импульсных источников этот метод наиболее предпочтителен, так как плотность энергии в импульсе нельзя существенно увеличить из-за относительно низкого порога разрушения поверхности кварцевого стекла (~1 Дж/см2 для излучения УФ эксимерных лазеров).

Рис. 4.30. Схемы записи длиннопериодных решеток УФ-излучением:

а– с помощью амплитудной маски; б – пошаговым методом

Впошаговом методе (рис. 4.30, б) формирование необходимой периодической структуры решетки осуществляется последовательно при помощи механической трансляции волоконного световода относительно

171

сфокусированного на сердцевину лазерного излучения. При записи ДПВР таким способом более предпочтительно использование непрерывных источников излучения, так как при этом возможно увеличение плотности УФ-излучения и, соответственно, сокращение времени записи решетки. Пошаговый метод записи является более гибким, так как позволяет формировать произвольные профили отдельного штриха и распределения амплитуды наведенного ПП и периода по длине решетки. Такая возможность используется, в частности, для подавления боковых максимумов пиков поглощения, а также резонансов, вызванных высшими гармониками периодической структуры решетки. Типичная схема установки пошаговой записи с характеристиками приведена на рис. 4.31.

Рис. 4.31. Установка пошаговой записи длиннопериодной брэгговской решетки

Создание ДПВР пошаговым методом возможно также с помощью локального прогрева волоконного световода до высоких температур (~1000 °С). В результате такого теплового воздействия изменение профиля может происходить в силу ряда причин: механическая деформация волоконного световода; перераспределение существующих упругих напряжений вследствие упругооптического эффекта; пространственное перераспределение химического состава стекла вследствие термоиндуцированной диффузии элементов, легирующих область сердцевины. Указанное тепловое воздействие может быть осуществлено инфракрасными лазерными источниками (СО2-лазер, СО-лазер) или локализованным электрическим разрядом. Достаточно глубокие термоиндуцированные решет-

172

ки могут быть записаны в нефоточувствительных или малофоточувствительных волоконных световодах, например в световодах с чисто кварцевой сердцевиной. Так как решетки наводятся при локальном прогреве волоконного световода до температуры, близкой к температуре плавления кварцевого стекла, они обладают более высокой температурной стойкостью в сравнении с фотоиндуцированными решетками и не распадаются даже при температурах порядка 1000 °С. В то же время термоиндуцированные решетки, как правило, вносят спектрально независимые (так называемые «серые») потери, вызванные механической деформацией волоконного световода при записи. Сильная зависимость скорости термоиндуцированных процессов от температуры требует для получения однородных решеток высокой воспроизводимости температуры прогрева и длительности экспозиции от шага к шагу. Как правило, эта воспроизводимость недостаточно высока, что в большинстве случаев приводит к неоднородности спектра. Кроме того, локальность теплового воздействия, в силу процессов теплопереноса вдоль оси световода, как правило, ограничена размером порядка его диаметра, что делает затруднительным запись решеток с малыми периодами (Λ < 200 мкм).

Помимо необратимой записи ДПВР, существуют методы обратимого формирования решеток в волоконном световоде. Отметим метод индуцирования ДПВР акустической волной с частотой порядка 2 МГц. Эффективность связи и спектральное положение резонанса в этом случае задаются амплитудой и частотой высокочастотного сигнала соответственно, в то время как длина очищенной от полимерной оболочки части волоконного световода определяет спектральную ширину резонанса. Особенностью такой решетки является возможность гибкого управления ее спектральными характеристиками и одновременного формирования нескольких ДПВР при подаче смеси радиочастотных сигналов.

173

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впоследние годы рост потребности в услугах связи для различных сфер деятельности людей обусловил бурное развитие средств телекоммуникаций во всех цивилизованных странах. Оптическое волокно оказалось именно той средой передачи, которая смогла удовлетворить возрастающие потребности людей в обмене информацией. Оптическое волокно и волоконно-оптическая техника играют в современной связи определяющее значение, первое – как среда для оптической цифровой передачи, вторая – как набор средств, дающих возможность осуществления такой передачи.

Вкачестве кратких выводов к рассмотренному в настоящем учебном пособии материалу можно сформулировать следующее:

1. Подавляющее большинство поступающих на мировой рынок оптических волокон для телекоммуникаций – волокна, соответствующие международным стандартам ITU T Recommendation G.652–G.656. Это так называемые магистральные оптические волокна, главная задача которых – доставка максимального объема информации с максимальной скоростью на максимальные расстояния с минимальными потерями. Объем рынка магистральных волокон для телекоммуникаций остается довольно большим, несмотря на труднопредсказуемые временные замедления его роста. На фоне этих временных колебаний исключением является уверенный рост (хотя и не в большом объеме) рынка так называемых специальных оптических волокон.

2. Главная задача специальных оптических волокон – выполнение разных операций со световыми сигналами и потоками (усиление, модуляция, фильтрация и т.д.), а также работа волокон в специальных режимах

иусловиях (например, при высоких механических нагрузках – ударных или статических, высокой температуре, радиации, влажности, в УФ-, среднем ИК- и дальнем ИК-диапазонах), поэтому требования к оптическим потерям в таких волокнах отходят на второй план. Типичная длина специальных оптических волокон не километры, как в случае магистральных волокон, а от единиц до нескольких десятков метров. Сегодня производители отмечают растущий интерес к специализированным волокнам для применения в оптических компонентах. Так, например, стоимость мирового потребления специальных оптических волокон в 2007 году составила более 1,2 млрд долларов (по данным компании ElectronCast).

174

3.Многие производители специальных оптических волокон расширяют свою клиентуру в сфере биомедицины, авиации и в военных отраслях. Другие производители видят больше возможностей для специальных оптических волокон в применении в датчиках и волоконнооптических гироскопах. Тем не менее применение специальных оптических волокон в системах связи достигло более существенного прогресса

иобещает еще немало новых возможностей. Уже сейчас становится ясно, что в любом варианте дальнейшего развития специальные оптические волокна будут использоваться в оборудовании сетей связи следующего поколения.

4.В настоящее время можно назвать порядка двадцати типов специальных оптических волокон, отличающихся конструктивными характеристиками и основными свойствами. Широко распространенные специальные оптические волокна можно условно классифицировать по наиболее важным областям их применения в оптической связи.

5.В настоящем пособии приведена учебная информация о волоконных световодах и способах их получения вообще, а также о конструкции, материалах и технологии нескольких видов специальных оптических волокон: активированных, анизотропных, фотонно-кристалли- ческих и др.

175

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Optical fiber amplifiers. Materials, devices and applications / ed. by Sh. Sudo. – Boston: Artech House, Inc., 1997. – 627 p.

2.Becker P.C., Olsson N.A., Simpson J.R. Erbium-doped fiber amplifiers // Fundamentals and technologies. – San Diego: Academic Press,1999. – 460 p.

3.Canning J. Fiber laser and related technologies // Optics and lasers in engineering. – 2006. – № 44. – P. 647–676.

4.Snitzer E. Proposed fiber cavities for optical masers // J. Appl. Phys. – 1961. – Vol. 32, №1. – P.36–39.

5.Koester C.J. and Snitzer E. Amplification in a fiber laser // Appl. Opt. –

1964. – Vol. 3, №10. – P. 1182.

6.Желтиков А.М. Оптика микроструктурированных волокон. – М.:

Наука, 2004.

7.Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. – М.: Мир, 1996. – 323 с.

8.Базаров Е.Н., Бурков В.Д., Шатров А.Д. Теоретические основы волоконно-оптической техники. – М.: Изд-во МГУЛ, 2004. – 203 с.

9.Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика: теория и практика. – М.:

Кудиц-Пресс, 2008. – 320 с.

10.Беспалов В.И., Пасманик Г.А. Нелинейная оптика. – М.: Наука,

1980. – 282 с.

11.Беспрозванных В.Г., Первадчук В.П. Нелинейная оптика: учеб. пособие. – Пермь: Изд-воПерм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. – 200 с.

12.Бурков В.Д., Иванов Г.А. Научные основы создания устройств

исистемволоконно-оптическойтехники. – М.: Изд-воМГУЛ, 2008. – 332 с.

13.Дианов Е.М. Волоконная оптика: сорок лет спустя // Квантовая электроника. – 2010. – Т. 40, № 1. – С. 1–6.

14.Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. –

М.: Физматлит, 2004. – 512 с.

15.Желтиков А.М. Нелинейная оптика микроструктурированных волокон // УФН. – 2004. – Т. 174, № 1. – С. 73–105.

16.Желтиков А.М. Развитие технологии фотонно-кристаллических световодов в России // Российские нанотехнологии. – 2007. – Т. 2, № 1–2. –

С. 70–78.

17.Йоргачев Д.В., Бондаренко О.В. Волоконно-оптические кабели

илинии связи. – М.: Экотрендз, 2002. – 282 с.

18.Ландсберг Г.С. Оптика: учеб. пособие для вузов. – М.: Физмат-

лит, 2003. – 848 с.

19.Листвин А.В., Листвин В.Н., Швыдков Д.В. Оптические волокна для линий связи. – М.: ВЭЛКОМ, 2003. – 288 с.

176

20.Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических воло-

кон. – М.: ЛЕСАР АРТ+, 2005. – 208 с.

21.Розанов Н.Н. Нелинейная оптика: учеб. пособие. Ч. 1. Уравнения распространения излучения и нелинейный отклик среды. – СПб.: Изд-во СПбГУИТМО, 2008. – 95 с.

22.Сущинский М.М. Вынужденное рассеяние света. – М.: Наука,

1985.

23. Булгакова С.А., Дмитриев А.Л. Нелинейно-оптические устройства обработки информации: учеб. пособие. – СПб: Изд-во СПбГУИТ-

МО, 2009. – 56 с.

24.Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика). Ч. 1. Механизмы поглощения и диссипации энергии в веществе / М.Н. Либенсон [и др.]. – СПб: Изд-во СПбГУИТМО, 2005. – 84 с.

25.Клюев В.Г. Нелинейные явления в оптоволоконных системах: учеб. пособие для вузов. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 2008. – 59 с.

26.Мелких А.В., Повзнер А.А. Физика нелинейных явлений: учеб. пособие. – Екатеринбург: Изд-во УГТУ–УПИ, 2009. – 144 с.

27.Влияние фазовой самомодуляции на вынужденное рассеяние Ман- дельштама–Бриллюэна в волоконно-оптических линиях связи / В.Ю. Го-

лышев [идр.] // ЖТФ. – 2004. – Т. 74, вып. 7. – С. 66–69.

28.Маркузе Д. Оптические волноводы. – М.: Мир, 1974. – 576 с.

29.Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. –

М.: Мир, 1977. – 656 с.

30.Волоконно-оптическая связь. Приборы, схемы и системы / под ред. М.Дж. Хауэса и Д.В. Моргана. – М.: Радио и связь, 1982. – 270 с.

31.Жирар А. Руководство по технологии и тестированию систем WDM: пер. с англ. / под ред. А.М. Бортникова., У.У. Убайдуллаева,

А.В. Шмалько. – М.: EXFO, 2001. – 194 с.

32.Фокин В.Г. Современные оптические системы передачи информации. – Екатеринбург: Изд-во УрТИСИ СибГУТИ, 2004.

33.Фокин В.Г. Волоконно-оптические системы передачи с подвесными кабелями на воздушных линиях электропередачи и контактной сети железных дорог: метод. указания. – Новосибирск: Изд-воСибГУТИ, 2000.

34.Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника: учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2001.

35.Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика. Теория и практика: пер.

сангл. – М., 2006.

36.Лапина Н.Ф., Татаркина О.А. Волоконно-оптические системы передачи: метод. указания к выполнению лабораторных работ. – Екатеринбург: Изд-во УрТИСИ СибГУТИ, 2004.

177

Учебное издание

Шумкова Дарья Борисовна, Левченко Андрей Евгеньевич

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ

Учебное пособие

Редактор и корректор В.В. Мальцева

Подписано в печать 27.12.2011. Формат 70×100/16. Усл. печ. л. 14,2. Тираж 100 экз. Заказ № 251/2011.

Издательство Пермского государственного технического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.

178